CSMA/CD

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CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/collision detection,载波侦听多路访问/冲突检测)

目录

什么是CSMA/CD

  CSMA/CD,即载波监听多路访问/冲突检测方法。在以太网中,所有的节点共享传输介质。如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务,就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议,并进行了改进,使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。另一个改进是,对于每一个站而言,一旦它检测到有冲突,它就放弃它当前的传送任务。换句话说,如果两个站都检测到信道是空闲的,并且同时开始传送数据,则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。它们不应该再继续传送它们的帧,因为这样只会产生垃圾而已;相反一旦检测到冲突之后,它们应该立即停止传送数据。快速地终止被损坏的帧可以节省时间和带宽

  CSMA/CD的工作原理

  CSMA/CD是带有冲突检测的CSMA,其基本思想是:当一个节点要发送数据时,首先监听信道;如果信道空闲就发送数据,并继续监听;如果在数据发送过程中监听到了冲突,则立刻停止数据发送,等待一段随机的时间后,重新开始尝试发送数据。

CSMA/CD的控制规程

  控制规程的核心问题:解决在公共通道上以广播方式传送数据中可能出现的问题(主要是数据碰撞问题)

  控制过程包含四个处理内容:侦听、发送、检测、冲突处理

  (1) 侦听

  通过专门的检测机构,在站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送(线路是否忙)?

  若“忙”则进入后述的“退避”处理程序,进而进一步反复进行侦听工作。

  若“闲”,则一定算法原则(“X坚持”算法)决定如何发送。

  (2) 发送

  当确定要发送后,通过发送机构,向总线发送数据。

  (3) 检测:

  数据发送后,也可能发生数据碰撞。因此,要对数据边发送,边接收,以判断是否冲突了。

  (4)冲突处理

  当确认发生冲突后,进入冲突处理程序。有两种冲突情况:

  ① 侦听中发现线路忙

  ② 发送过程中发现数据碰撞

  ① 若在侦听中发现线路忙,则等待一个延时后再次侦听,若仍然忙,则继续延迟等待,一直到可以发送为止。每次延时的时间不一致,由退避算法确定延时值。

  ② 若发送过程中发现数据碰撞,先发送阻塞信息,强化冲突,再进行侦听工作,以待下次重新发送(方法同①)

  几个概念:

  上述两种冲突情况都会涉及一个共同算法——退避算法。

  ① 退避算法:当出现线路冲突时,如果冲突的各站点都采用同样的退避间隔时间,则很容易产生二次、三次的碰撞。因此,要求各个站点的退避间隔时间具有差异性。这要求通过退避算法来实现。

  截断的二进制指数退避算法(退避算法之一):

  当一个站点发现线路忙时,要等待一个延时时间M,然后再进行侦听工作。延时时间M以以下算法决定:

  M = 2 min{n,16} ms

  其中,n表示连续侦听的次数(记数值)。该表达式的含义是:第一次延迟2ms,再冲突则延迟22ms,以后每次连续的冲突次数记数都比前一次增加一倍的延迟时间,但最长的延迟时间不超过216ms。(即:超过16次做特殊处理)

  ② 特殊阻塞信息:是一组特殊数据信息。在发送数据后发现冲突时,立即发送特殊阻塞信息(连续几个字节的全1),以强化冲突信号,使线路上站点可以尽早探测得到冲突的信号,从而减少造成新冲突的可能性。

  ③ 冲突检测时间>=2α: α表示网络中最远两个站点的传输线路延迟时间。该式表示检测时间必须保证最远站点发出数据产生冲突后被对方感知的最短时间。在2α时间里没有感知冲突,则保证发出的数据没有产生冲突。(只要保证检测2α时间,没有必要整个发送过程都进行检测)

  ④ X-坚持的CSMA算法:当在侦听中发现线路空闲时,不一定马上发送数据,而采用X-坚持的CSMA算法决定如何进行数据发送:

  三种算法及特点:

  - 非坚持的CSMA:线路忙,等待一段时间,再侦听;不忙时,立即发送;减少冲突,信道利用率降低:

  - 1坚持的CSMA:线路忙,继续侦听;不忙时,立即发送;提高信道利用率,增大冲突:

  - p坚持的CSMA:线路忙,继续侦听;不忙时,根据p概率进行发送,另外的1-p概率为继续侦听(p是一个指定概率值);有效平衡,但复杂:

  (5)控制流程图(如下图)

Image:CSMACD控制流程图.png

  (6)CSMA控制规程的特征

  ① 简单

  ② 具有广播功能。

  ③ 平均带宽: f = F / n。

  ④ 绝对平等,无优先级。

  ⑤ 低负荷高效,高负荷低效。

  ⑥ 延时时间不可预测。

  ⑦ 传输速率与传输距离为一定值。

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